CN113307447B - 一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级prb地下水脱氮方法及反应器 - Google Patents

一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级prb地下水脱氮方法及反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法及反应器。本发明的脱氮方法包括：含有NO3‑‑N的地下水首先经设置聚乙烯网袋包裹的Fe0(铁刨花)填料的一级PRB反应器处理，通过自养及异养共存的混养反硝化菌进行脱氮将大部分NO3‑‑N还原为N2去除，然后再通过设有改性生物炭填料的二级PRB反应器将剩余NO3‑‑N吸附去除。本发明通过投加碳源与Fe0形成混养反硝化脱氮作用，可解决零价铁易钝化及自养反硝化菌生长速率慢的问题，易于操作管理、运行成本较低。

Description

一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮 方法及反应器
技术领域
本发明涉及一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法及反应器，属于地下水修复技术领域。
背景技术
地下水是水资源的重要组成部分，由于其水量稳定、水质优良，是农业灌溉、工业生产和城市生活的重要水源。然而工业废水排污及农业化肥、农药的过度使用，使地下水中硝态氮污染普遍存在。饮用硝酸盐含量超标的地下水会引发高铁血红蛋白血症、肝癌和胃癌等疾病，造成较大的生态环境及健康风险。如何有效削减地下水中的NO3 --N，成为当前亟待解决的问题。
按NO3 --N去除原理的不同，脱氮技术大体上分为三类：物理处理技术、化学处理技术和生物处理技术，其中物理、化学处理技术因成本较高而在工程应用中受限。相比而言，生物脱氮技术是成本较低的地下水脱氮技术。对于低C/N的地下水脱氮，尚需补充足够的有机碳源实现异养反硝化，碳源投加是反硝化脱氮的主要成本。以无机电子供体替代反硝化碳源、降低反硝化脱氮成本，成为低C/N地下水脱氮发展趋势。基于低价铁为电子供体的自养反硝化技术具有成本低且反应过程中基本无副产物等优势，已成为含NO3 --N地下水脱氮的主流技术之一。但零价铁作为电子供体存在钝化和团聚作用倾向且易板结，阻碍反应进程，导致脱氮效率下降；同时铁自养反硝化菌生长速率慢，受水温、pH等环境因素影响较大。为了解决以上问题，在铁自养反硝化体系中外加有机碳源形成混养反硝化体系，既能减缓铁的钝化又能促进自养菌的生长。值得注意的是，即使经混养反硝化脱氮后，出水中依然会有少量NO3 --N残留，需要进一步处理方能实现地下水中硝酸盐的彻底去除。生物质通过热处理制备的生物炭，具有较大的比表面积和丰富的官能团，对水中的污染物具有良好吸附作用，通过金属离子改性生物炭，可获得对NO3 --N良好吸附效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：地下水的自养反硝化脱氮中采用零价铁作为电子供体存在钝化和团聚作用倾向且易板结，阻碍反应进程，导致脱氮效率下降；同时铁自养反硝化菌生长速率慢，受水温、pH等环境因素影响较大成本高、效率低以及脱氮不完全等问题。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级可渗透反应墙(PRB)地下水脱氮方法，包括以下步骤：
步骤1)：在一级PRB反应区设置聚乙烯网袋包裹的铁刨花Fe0填料，以城市污水处理厂剩余污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中，含NO3 --N地下水连续进水10-15日，使铁刨花填料表面形成附着反硝化菌的生物膜，完成一级PRB的启动；
步骤2)：含NO3 --N地下水通过穿孔墙进入一级PRB反应区，同时在进水处投加有机碳源，利用聚乙烯网袋及铁刨花Fe0上附着的异养及自养反硝化菌进行反硝化脱氮，将地下水中大部分NO3 --N还原成N2；
步骤3)：经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水通过穿孔墙进入设有改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的NO3 --N，最终处理后的地下水经穿孔墙排出。
优选地，所述步骤1)中的聚乙烯网袋包裹的铁刨花Fe0填料为每包填料装填3kg铁刨花Fe0，装填的密度为20～30kg/m3。
优选地，所述步骤2)中以乙酸钠为外加有机碳源，控制进水中COD/TN为2.8～3.2，所述反硝化脱氮的处理时间为20～24h。
优选地，所述步骤3)中的改性生物炭填料由聚乙烯网袋包裹而成，每包填料装填3～4kg改性生物炭，装填的密度为10～20kg/m3，所述的经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水在二级PRB反应区的反应时间为20～24h。
优选地，所述步骤3)中改性生物炭填料的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在N2氛围内煅烧，冷却至室温后研磨过筛，用盐酸溶液浸渍后洗至中性，后续加入氯化铁溶液振荡，抽滤、烘干再次置于管式炉中煅烧。取出后的成品即为改性生物炭。
更优选地，所述的过筛为采用60目的过筛器进行过筛。
更优选地，所述第一次煅烧的温度为600℃，时间为3h；所述第二次煅烧的温度为300℃，时间为1h。
更优选地，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L，浸渍时间为1h；所述氯化铁溶液的浓度为2mol/L，振荡时间为2h。
更优选地，所述烘干的温度为85℃，时间为2h。
本发明还提供了一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮反应器，应用于上述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法中，其包括：
设有铁刨花填料(3)的一级PRB反应区(4)，所述一级PRB反应区(4)内设有若干组不锈钢填料框架一(5)，每组框架中吊挂铁刨花填料(3)；
设有改性生物炭填料(7)的二级PRB反应区(8)，所述二级PRB反应区(8)内设有若干组不锈钢填料框架二(9)，每组框架中吊挂改性生物炭填料(7)；
所述一级PRB反应区(4)的进水侧设有碳源投加管(1)及穿孔墙一(2)，所述二级PRB反应区(8)的出水侧设有穿孔墙二(10)，所述一级PRB反应区(4)与二级PRB反应区(8)之间设有穿孔墙三(6)。
本发明的原理是：含NO3 --N地下水通过两级PRB反应器处理，分别为生物反硝化脱氮及吸附脱氮两级PRB反应器。含NO3 --N的地下水在装填Fe0(铁刨花)填料的一级PRB反应区通过自养及异养共存的混养反硝化作用，将地下水中大部分NO3 --N转化成N2，然后再进入装填改性生物炭的二级PRB反应器将地下水中剩余NO3 --N吸附去除。
本发明的适用范围为NO3 --N污染的地下水修复，通过本发明提供的一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法及反应器，NO3 --N可稳定达到《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)(Ⅱ类水)(NO3 --N≤5.0mg/L)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.与铁自养反硝化技术及传统异养反硝化技术相比，本发明提出的用于地下水脱氮的一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB(可渗透反应墙)地下水脱氮方法及反应器，可解决零价铁易钝化及自养菌生长速率慢的问题；
2.经本发明的零价铁混养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器进行脱氮处理后的地下水，出水NO3 --N≤5.0mg/L，可稳定达到《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)(Ⅱ类水)。
附图说明
图1为本发明提供的一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮反应器示意图；
图2为脱氮反应器中用于固定填料的单组不锈钢填料框架的示意图；
附图标记：1.碳源投加管；2.穿孔墙一；3.铁刨花填料；4.一级PRB反应区；5.不锈钢填料框架一；6.穿孔墙三；7.改性生物炭填料；8.二级PRB反应区；9.不锈钢填料框架二；10.穿孔墙二。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
本实施例提供了一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法及脱氮反应器，本实施例中的地下水NO3 --N浓度为25±5.0mg/L，经本实施例提供的一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法进行脱氮，包括以下步骤：
步骤1)：在一级PRB反应区设置聚乙烯网袋包裹的Fe0(铁刨花)填料，以城市污水处理厂剩余污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中。含NO3 --N地下水连续进水10-15日，使铁刨花填料表面形成附着反硝化菌的生物膜，完成一级PRB的启动。
步骤2)：含NO3 --N地下水通过穿孔墙进入一级PRB反应区，同时在进水处投加有机碳源，利用聚乙烯网袋及Fe0(铁刨花)上附着的异养及自养反硝化菌进行反硝化脱氮，将地下水中大部分NO3 --N还原成N2；
步骤3)：经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水通过穿孔墙进入设有改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的NO3 --N。最终处理后的地下水经穿孔墙排出。
其中，步骤1)中一级PRB反应区中聚乙烯网袋包裹Fe0(铁刨花)填料，每包填料装填3kg Fe0(铁刨花)，填料的装填密度为20～30kg/m3，一级PRB反应区反应时间为20～24h。
其中，步骤2)以乙酸钠为外加有机碳源，控制进水COD/TN为2.8～3.2。
其中，步骤3)中改性生物炭填料的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在N2氛围内600℃下煅烧3h，冷却至室温后研磨，再通过60目过筛器过筛，用1mol/L盐酸溶液浸渍1h后洗至中性，后续加入2mol/L氯化铁溶液振荡时间2h，抽滤、85℃下处理2h进行烘干，再次置于管式炉中300℃下煅烧1h。。取出后的成品即为改性生物炭。
其中，步骤3)中二级PRB反应区中改性生物炭填料由聚乙烯网袋包裹改性生物炭制备而成，每包填料装填3～4kg改性生物炭，装填密度为10～20kg/m3，二级PRB反应区反应时间为20～24h。
经上述的脱氮方法脱氮处理后地下水水质稳定达到《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)(Ⅱ类水)(NO3 --N≤5.0mg/L)。
上述的脱氮方法采用如图1、图2所示的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮反应器，其包括：
设有铁刨花填料3的一级PRB反应区4，所述的一级PRB反应区4内设有若干组不锈钢填料框架一5，每组框架中吊挂铁刨花填料3；
设有改性生物炭填料7的二级PRB反应区8，所述二级PRB反应区8内设有若干组不锈钢填料框架二9，每组框架中吊挂改性生物炭填料7。
所述一级PRB反应区4的进水侧设有碳源投加管1及穿孔墙一2，所述二级PRB反应区8的出水侧设有穿孔墙二10，所述一级PRB反应区4与二级PRB反应区8之间设有穿孔墙三6。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：在一级PRB反应区设置聚乙烯网袋包裹的铁刨花Fe0填料，以城市污水处理厂剩余污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中，含NO3 --N地下水连续进水10-15日，使铁刨花填料表面形成附着反硝化菌的生物膜，完成一级PRB的启动；
步骤2）：含NO3 --N地下水通过穿孔墙进入一级PRB反应区，同时在进水处投加有机碳源，利用聚乙烯网袋及铁刨花Fe0上附着的异养及自养反硝化菌进行反硝化脱氮，将地下水中大部分NO3 --N还原成N2；
步骤3）：经过步骤2）处理的一级PRB反应区出水通过穿孔墙进入设有改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的NO3 --N，最终处理后的地下水经穿孔墙排出；
所述步骤3）中改性生物炭填料的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在N2氛围内煅烧，冷却至室温后研磨过筛，用盐酸溶液浸渍后洗至中性，后续加入氯化铁溶液振荡，抽滤、烘干再次置于管式炉中煅烧，取出后的成品即为改性生物炭；其中，第一次煅烧的温度为600 ℃，时间为3 h；第二次煅烧的温度为300 ℃，时间为1 h。
2.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤1）中的聚乙烯网袋包裹的铁刨花Fe0填料为每包填料装填3 kg铁刨花Fe0，装填的密度为20~30 kg/m3。
3.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤2）中以乙酸钠为外加有机碳源，控制进水中COD/TN为2.8~3.2，所述反硝化脱氮的处理时间为20~24 h。
4.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤3）中的改性生物炭填料由聚乙烯网袋包裹而成，每包填料装填3~4 kg改性生物炭，装填的密度为10~20 kg/m3，所述的经过步骤2）处理的一级PRB反应区出水在二级PRB反应区的反应时间为20~24 h。
5.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述的过筛为采用60目的过筛器进行过筛。
6.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为1 mol/L，浸渍时间为1 h；所述氯化铁溶液的浓度为2mol/L，振荡时间为2 h。
7.如权利要求1所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮方法，其特征在于，所述烘干的温度为85 ℃，时间为2 h。
8.一种零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级PRB地下水脱氮反应器，其特征在于，应用于权利要求1~7中任意一项所述的零价铁混养反硝化耦合改性生物炭两级 PRB 地下水脱氮方法中，其包括：
设有铁刨花填料（3）的一级PRB反应区（4），所述一级PRB反应区（4）内设有若干组不锈钢填料框架一（5），每组框架中吊挂铁刨花填料（3）；
设有改性生物炭填料（7）的二级PRB反应区（8），所述二级PRB反应区（8）内设有若干组不锈钢填料框架二（9），每组框架中吊挂改性生物炭填料（7）；
所述一级PRB反应区（4）的进水侧设有碳源投加管（1）及穿孔墙一（2），所述二级PRB反应区（8）的出水侧设有穿孔墙二（10），所述一级PRB反应区（4）与二级PRB反应区（8）之间设有穿孔墙三（6）。
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